《現(xiàn)代控制理論》教學(xué)方法探討

胡代弟 董素鴿

【摘要】《現(xiàn)代控制理論》是自動(dòng)化專業(yè)一門很重要的專業(yè)課，但是由于這門課程理論性非常強(qiáng)，涉及到大量線性代數(shù)和微分方程的相關(guān)知識(shí)及分析過程中會(huì)有大量數(shù)據(jù)計(jì)算，在教學(xué)過程中往往不會(huì)產(chǎn)生很好的教學(xué)效果。所以本文就如何提高學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的學(xué)習(xí)興趣及MatLab軟件在課堂及實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用進(jìn)行探討。

【關(guān)鍵詞】現(xiàn)代控制理論;教學(xué)方法;Matlab;自動(dòng)化

隨著經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，控制系統(tǒng)中大系統(tǒng)和智能控制系統(tǒng)的出現(xiàn)，經(jīng)典控制理論已經(jīng)不能滿足需求，從而產(chǎn)生了現(xiàn)代控制理論。所以《現(xiàn)代控制理論》這門課程是自動(dòng)化專業(yè)繼《自動(dòng)控制原理》之后非常重要的一門專業(yè)課，包括的內(nèi)容很多，范圍很廣，且有的內(nèi)容有相當(dāng)?shù)纳疃??！冬F(xiàn)代控制理論》課程的學(xué)習(xí)是以線性代數(shù)和微分方程為主要的數(shù)學(xué)工具，以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)來分析與設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)。

在教學(xué)過程中，主要面臨以下幾個(gè)問題：

一、學(xué)生在學(xué)習(xí)中容易關(guān)注運(yùn)算細(xì)節(jié)，而缺乏整體概念

在《現(xiàn)代控制理論》課程的學(xué)習(xí)中會(huì)涉及到大量的計(jì)算方法和計(jì)算公式，很容易讓學(xué)生造成只關(guān)注計(jì)算方法與計(jì)算過程，沒有系統(tǒng)的概念而忽略了為什么要采用這種方法及用這種方法可以解決什么問題。

比如，在分析一個(gè)系統(tǒng)的性能之前，首先應(yīng)該建立一個(gè)數(shù)學(xué)模型來描述系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)、外特征及內(nèi)部各參量和外部特征參量的關(guān)系，這就是現(xiàn)代控制理論這門課程重要內(nèi)容之一——狀態(tài)空間表達(dá)式的建立。通過建立一個(gè)系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達(dá)式，來建立一個(gè)數(shù)學(xué)模型以便于對(duì)這個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行定性與定量的研究。

在講課的過程中會(huì)給學(xué)生講解由傳遞函數(shù)建立狀態(tài)空間表達(dá)式、由高階微分方程建立狀態(tài)空間表達(dá)式等方法，往往這時(shí)候?qū)W生只知道把各種方法生搬硬套的拿來做完計(jì)算就可以了，對(duì)這個(gè)過程中為什么要設(shè)置那么多的狀態(tài)變量，狀態(tài)變量和微分方程有什么聯(lián)系，微分方程怎么得到等一些列問題并不關(guān)心。所以這門課程的學(xué)習(xí)中很容易就會(huì)上成了數(shù)學(xué)課，學(xué)生會(huì)把大部分的注意力放在計(jì)算的方法和數(shù)據(jù)的正確與否，而沒有系統(tǒng)的概念，對(duì)這些微分方程是怎么建立的和為什么要建立狀態(tài)空間表達(dá)式及建立狀態(tài)空間表達(dá)式是用來解決一些什么問題并不關(guān)心。

二、學(xué)習(xí)過程中，數(shù)據(jù)運(yùn)算量大容易使學(xué)生失去興趣

現(xiàn)代控制理論這門課程的學(xué)習(xí)中由于可對(duì)多變量和多輸入多輸出復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行分析，所以在這門課程的學(xué)習(xí)中會(huì)利用線性代數(shù)和微分方程相關(guān)的內(nèi)容來進(jìn)行運(yùn)算以解決問題。

比如，用rank[B AB…An-1B]=n對(duì)系統(tǒng)的狀態(tài)能控性進(jìn)行判斷，分析過程就涉及到利用線性代數(shù)中矩陣相乘和矩陣的秩的相關(guān)內(nèi)容來進(jìn)行運(yùn)算。判斷時(shí)，運(yùn)算量的大小取決于系統(tǒng)狀態(tài)變量的個(gè)數(shù)及系統(tǒng)輸入輸出量的個(gè)數(shù)。當(dāng)狀態(tài)變量多，系統(tǒng)的輸入輸出個(gè)數(shù)多于一個(gè)的時(shí)候計(jì)算量就會(huì)很大。這時(shí)學(xué)生在繁瑣的計(jì)算中，很容易出現(xiàn)失誤，從而會(huì)在大量枯燥的運(yùn)算中而失去耐心，最后逐漸失去學(xué)習(xí)興趣。

針對(duì)存在的問題，如何提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，以達(dá)到更好的教學(xué)效果，本文將從以下三個(gè)方面進(jìn)行探討。

（一）教學(xué)中引入實(shí)際工程案例

在課程講解的過程中通過實(shí)際工程案例結(jié)合課本內(nèi)容進(jìn)行講解，以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。在教學(xué)過程中由于具體的工程案例的引入，更容易讓學(xué)生建立整體系統(tǒng)的概念，把工程案例和課本知識(shí)相結(jié)合也讓學(xué)生明白采用這些方法能實(shí)際解決的問題，所以思路正確以后學(xué)習(xí)興趣自然也會(huì)增加。

（二）課堂中引入MatLab軟件進(jìn)行計(jì)算和演示

在課堂教學(xué)中使用MatLab軟件進(jìn)行計(jì)算和演示，以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。MatLab軟件在課堂教學(xué)中的應(yīng)用可以用計(jì)算機(jī)來代替手算解決《現(xiàn)代控制理論》的講解中一些復(fù)雜及數(shù)據(jù)運(yùn)算量大的問題。

例如，在《現(xiàn)代控制理論》的學(xué)習(xí)中比較重要的內(nèi)容之一極點(diǎn)配置控制，這部分內(nèi)容的學(xué)習(xí)過程中會(huì)涉及到對(duì)要分析的系統(tǒng)能控性的判別和系統(tǒng)特征值的運(yùn)算等內(nèi)容，分析過程中會(huì)涉及到大量復(fù)雜的計(jì)算，尤其是多輸入系統(tǒng)的計(jì)算更為復(fù)雜計(jì)算量更大，如果在教學(xué)過程中使用MatLab來進(jìn)行計(jì)算和演示就能很快就能把要計(jì)算的結(jié)果準(zhǔn)確無(wú)誤的計(jì)算出來，這樣節(jié)省時(shí)間而且計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確。除此之外，MatLab還可以對(duì)計(jì)算的結(jié)果以圖像的形式演示出來，這樣可以直觀的看到運(yùn)行結(jié)果。所以在課堂中應(yīng)用MatLab軟件尤其是在例題講解的過程中，去除了傳統(tǒng)的復(fù)雜繁瑣手算計(jì)算過程，讓學(xué)生快速準(zhǔn)確直觀的看到運(yùn)行結(jié)果，可提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

（三）采用MatLab完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

在實(shí)驗(yàn)中采用MatLab軟件讓學(xué)生來進(jìn)行練習(xí)，以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和鞏固學(xué)生學(xué)習(xí)的理論知識(shí)。學(xué)生在課堂學(xué)習(xí)中掌握的基本概念和基本方后，在實(shí)驗(yàn)中采用MatLab控制工具箱和一些簡(jiǎn)短的語(yǔ)句就能把一些原本復(fù)雜計(jì)算量大的內(nèi)容準(zhǔn)確快速的計(jì)算出來，并且還可以通過輸出的圖形很直觀的對(duì)系統(tǒng)的具體動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行分析，這可以使學(xué)生對(duì)理論知識(shí)有更深刻的認(rèn)識(shí)和理解，同時(shí)也可培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)綜合分析設(shè)計(jì)的能力，為以后使用MatLab進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。

學(xué)習(xí)興趣對(duì)一門課程的學(xué)習(xí)至關(guān)重要。在《現(xiàn)代控制理論》這門課程的教學(xué)實(shí)踐中，采用實(shí)際工程案例和課程內(nèi)容相結(jié)合講解的方法，利用MatLab軟件來進(jìn)行計(jì)算和演示，都能很好的提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，更有助于學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的掌握和理解，達(dá)到了較好的教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：

胡代弟（1983—），女，湖南懷化人，講師，現(xiàn)供職于鄭州大學(xué)西亞斯國(guó)際學(xué)院。

董素鴿（1983年—），女，河南葉縣人，講師，現(xiàn)供職于鄭州大學(xué)西亞斯國(guó)際學(xué)院。